弗吉尼亚理工大学生物系统工程系(BSE)在2004年获得了国家科学基金会的拨款，用于围绕螺旋主题学习开发课程。在螺旋式课程中，学生在解决日益复杂的问题时，会反复回到相同的基本概念。我们使用这种方法不仅教授生物系统工程概念，也教授现代工程工具，包括MATLAB®．
MATLAB是弗吉尼亚理工大学螺旋课程的关键，因为它既支持第一年项目所需的基本数据分析，又支持以后几年所需的数据获取和更复杂的统计分析万博1manbetx。当学生完成螺旋课程的第四年时，他们已经使用MATLAB来分析和理解越来越复杂的生物过程，首先在试管中，然后在烧杯中，在实验室中试规模的反应器中，最后在工业加工设施中(图1)。
用MATLAB实现螺旋课程
螺旋课程的目标之一是让学生在毕业后立即开始实践他们的专业。为了达到这个目标，我们知道我们必须让学生从第一天起就参与解决实际的、真实的生物系统工程问题。
在他们的第一年，BSE学生普通化学和工程概论。在初级阶段，他们研究一个简单的生物过程，在这个过程中，他们将一种酶添加到一个含有底物的试管中。这种酶催化水解反应，使底物的颜色从蓝色变成黄色。学生们使用分光光度计监测和测量这一变化，并在MATLAB中对测量数据进行线性回归，估计Micheles-Menton方程的系数。在亲眼目睹酶的工作原理后，他们了解了酶是如何在化学工程、生物修复和真实世界的生物反应器过程中使用的。
在第二年的课程中生物系统工程导论在美国，作业更高级。例如，学生们不是简单地在烧杯的底物中添加一种酶，而是使用一种能产生这种酶的微生物;而不是简单地测量颜色变化，他们从生物过程中提取材料，分类，并使用MATLAB分析过程的材料平衡和能量平衡。
在第三年的课程中BSE的单元操作，学生完成的项目在规模和范围上与实践生物系统工程师进行的实验室实验相当。在中试规模的连续蒸馏釜反应器中，学生设计并进行单元操作实验，控制反应器的溶解氧和pH值，并使用MATLAB对测试结果进行分析和解释。三年级的学生还学习了数值分析课程，在这门课程中，他们进一步发展了用MATLAB求解微分方程的技能。
在最后一年，学生完成生物过程工程、工业生物加工和生物加工厂设计等课程。重点是学习如何设计一个完整的反应堆。作为他们研究的一部分，学生们参观了一个运行的处理设施，其中的反应堆有几层楼高。
用MATLAB教学生物过程仪器
在解决他们的生物反应器设计项目之前，四年级学生使用MATLAB学习仪器和控制，数据采集工具箱™，和仪器控制工具箱™。生物系统中的仪器仪表、测量和控制曾由工程科学系和机械系教授。因为这门课包括了其他系的工程学学生，所以实验作业通常与生物过程工程无关。另一个缺点是，学生必须为这门课程学习新的图形化编程环境，并且必须留出课堂时间来教他们如何使用它。我和我的同事们决定重新设计课程，自己教。我们开发了针对生物工程的实验作业，并将所需的软件改为MATLAB、Data Acquisition Toolbox和Instrument Control Toolbox。
在本课程中，我们将螺旋概念应用到实验中，从学生简单地将测量数据导入MATLAB的作业，到需要更高级的数据采集技术的作业。在第一个实验中，学生们用万用表测量电压和电阻，并将数据记录在电子表格中。他们将数据导入MATLAB，生成散点图，并执行线性回归。在接下来的两个实验中，学生使用热电偶、热敏电阻和光学传感器测量电压(图2)。
他们使用USB连接将万用表数据直接导入MATLAB进行分析。在完成了使用MATLAB进行离散快速傅里叶变换的作业后，他们继续在一个实验室中使用RS232C和GPIB在数据采集工具箱中获取色度计和示波器数据。随后的实验室包括色谱，压力测量，流量测量，使用应变计的力测量，和使用压力计的沼气压力监测。为了测量压力、流量和力，学生们使用数据采集板和MATLAB中的仪器控制工具箱连接传感器。
在期末专题中，每个学生提交一份实验设计，全班从中选择一份一起完成。最近的一个项目涉及从粪便中生产沼气，并在MATLAB中分析热电偶和压力传感器数据，以监测这一过程并使产量最大化。另一项研究涉及使用生物聚合物作为包装，以延长香蕉的保质期。在这个项目中，学生测量了颜色、质地、pH值和刺穿力，在MATLAB中使用统计工具处理数据，并使用结果来测量香蕉的成熟度。
课程前后的学生调查不仅强调了这个项目的价值，也强调了整个课程的价值。强烈同意他们理解控制生物系统以获得最佳结果的重要性的学生人数从3人增加到17人。学生们还报告说，他们对传感器和控制的理解也有了显著的提高，并增强了他们使用MATLAB连接硬件进行数据收集的能力，然后导入、绘制和拟合收集的数据。同意他们所学到的MATLAB技能在未来的课程和职业中有更广泛用途的学生人数几乎增加了两倍。
